CN102483565A - 激光投影仪 - Google Patents

Abstract

本发明的激光投影仪包括：射出激光的激光光源部(110)；调制所述激光生成影像光的空间光调制元件(120)；用于射出所述影像光的投射透镜(130)；将所述激光的光束形状整形为所述空间光调制元件(120)的形状的光束整形元件(160)；以及使该投射透镜的出射瞳(131)的光强度分布均匀的瞳均匀化元件(140)，其中，该瞳均匀化元件(140)设置在所述激光光源部(110)与所述光束整形元件(160)之间。

Description

激光投影仪

技术领域

本发明涉及利用激光作为光源的激光投影仪。

背景技术

近年来，在屏幕等各种投影面上放映出图像的投影仪正在普及。投影仪一般使用灯泡光源。但是，灯泡光源的寿命较短。另外，灯泡光源的色彩再现区域受到限制。此外，灯泡光源具有较大的光源面积、较低的光利用效率等缺点。

为了解决这些问题，尝试使用激光光源作为投影仪的光源。激光光源与灯泡光源相比寿命较长，具有较强的指向性。因此，激光光源容易实现较高的光利用效率。此外，激光光源具有单色性，因而可实现较大的色彩再现区域。因此，利用激光光源的投影仪能够显示鲜艳的图像。

作为投影仪的光源，若利用比以往的灯泡光源更为小型的激光光源，则由于激光光源为点光源，所以投影仪中组装的各种光学部件也能够小型化。因此，期待作为投影仪光源的激光光源的应用对以往不存在的便携式投影仪的开发做出贡献。在以下的说明中，利用激光光源的投影仪被称为“激光投影仪”。

激光投影仪具有散斑杂讯(speckle noise)的问题。散斑杂讯起因于激光的高干涉性。作为散斑杂讯，已知有由光学***生成的图案映在显示面上的衍射场(diffracted field)的散斑杂讯，以及激光被显示面散射的散射光彼此在收看者的眼中成为细微的粒状噪声的像场(image field)的散斑杂讯。在曝光机以及照明光学***中前者的衍射场的散斑杂讯成为问题，在激光投影仪中衍射场与像场这两者的散斑杂讯成为问题。

为了投影仪的小型化，需要除了利用与以往的将灯泡或LED作为光源的光学***不同的点光源的性质之外，还对调制激光、生成影像光的空间光调制元件进行所需的均匀照明的光学***。为了克服发热的问题，投影仪的小型化还要求实现较高的光利用效率。

若使用激光光源作为投影仪的光源，则从安全的观点出发，需要充分降低收看者的视网膜上的光强度。因此，需要降低从投射透镜射出的激光的光强度或者防止在收看者的视网膜上的聚光。

对于激光投影仪，提出了用于减少散斑杂讯、提高安全性的各种方案(例如参照专利文献1及2)。

专利文献1中公开的激光投影仪包括激光光源、光束扩大器、具备两组复眼透镜、聚光透镜及场透镜(field lens)的光束整形器(beam shaper)以及移动扩散器。作为光束整形器与移动扩散器的组合的结果，可实现对空间光调制元件的照明的均匀化以及散斑杂讯的减少。

但是，专利文献1中公开的激光投影仪需要比较大的光学***(大小和与灯泡光源一起使用的光学***相同)。因此，该激光投影仪不适于光学***的小型化。此外，该激光投影仪的散斑杂讯的减少以及安全性的提高也未达到足够的水平。

专利文献2提出在检测到人侵入了与投射激光的投射区域相邻的区域时，将光功率降低至指定强度的方案。专利文献2公开了用于防止较高功率的光在人的视网膜上聚光的技术。

但是，专利文献2的投影仪具有复杂的结构，并且容易大型化。因此，作为基本的安全对策，寻求不进行降低光功率的处理等就能够始终防止较强的光在人的视网膜上聚光的光学设计。

提出了一种利用衍射元件或HOE元件等以波长级被施以加工的元件作为激光光源的光束整形构件的方案。但是，若将这些元件作为光束整形构件来使用，则使用的波长、入射角度受到限制。因此，这些元件作为光束整形构件的利用不适合针对大多数波长或多个光源的光强度的均匀化或正确的光束整形。此外，作为这些元件用作为光束整形构件的结果，容易因零次光而产生功率集中的部位。

上述以往的提案未充分研究用于维持激光投影仪的小型化，同时实现散斑杂讯的减少、高亮度以及高安全性的光学设计。

专利文献1：日本专利公开公报特开2003-98476号

专利文献2：日本专利公开公报特开2006-227083号

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有用于实现小型化及高亮度、并且减少散斑杂讯的光学***的安全的激光投影仪。

本发明所提供的激光投影仪包括：射出激光的激光光源部；调制所述激光生成影像光的空间光调制元件；用于射出所述影像光的投射透镜；将所述激光的光束形状整形为所述空间光调制元件的形状的光束整形元件；以及使该投射透镜的出射瞳的光强度分布均匀化的瞳均匀化元件，其中，该瞳均匀化元件被设置在所述激光光源部与所述光束整形元件之间。

上述的激光投影仪使投射的影像的光强度分布以及在投射透镜的出射瞳的光强度分布适宜地均匀化。由于不射出过高强度的光，所以可提供具有较高安全性的激光投影仪。此外，作为使投射的影像的光强度分布以及在投射透镜的出射瞳的光强度分布的均匀化的结果，不易产生由局部增加的光强度造成的散斑杂讯。因此，即使是小型的激光投影仪，也能够实现较高的安全性以及散斑杂讯的减少。

本发明的目的、特征以及优点通过以下的详细说明与附图将更加明确。

附图说明

图1是第一实施方式所涉及的激光投影仪的概略图。

图2是形成在瞳均匀化元件的入射端面的透镜图案的概略图。

图3是光束整形元件的概略立体图。

图4是表示激光投影仪与收看者的眼之间的位置关系的概略图。

图5(A)是表示光束整形元件与出射瞳的位置关系的概略图。

图5(B)是表示光束整形元件与出射瞳的位置关系的概略图。

图6是概略表示球面以及抛物面的角度的取向特性的曲线图。

图7是第二实施方式的激光投影仪的概略图。

图8是第三实施方式的激光投影仪的概略图。

图9是第四实施方式的激光投影仪的概略图。

图10(A)是在红色激光光源与合波棱镜之间设置的瞳均匀化元件的概略图。

图10(B)是在绿色激光光源与合波棱镜之间设置的瞳均匀化元件的概略图。

图10(C)是在蓝色激光光源与合波棱镜之间设置的瞳均匀化元件的概略图。

图11是第五实施方式的激光投影仪的概略图。

图12是光束整形元件的概略立体图。

图13是表示采用丙烯树脂形成的第二要素透镜的入射端面的透镜直径与折射角(sinθ)之间的关系的曲线图。

图14(A)是瞳均匀化元件的概略俯视图。

图14(B)是瞳均匀化元件的概略侧视图。

具体实施方式

以下参照附图说明一种实施方式所涉及的激光投影仪。另外，在以下说明的实施方式中，对相同的结构要素标注相同的符号。另外，为了使说明明确，根据需要省略重复的说明。图示的结构、配置或形状以及与图相关的记载只不过是为了使激光投影仪的原理容易理解，激光投影仪的原理不受它们的任何限定。

(第一实施方式)

(激光投影仪)

图1是第一实施方式所涉及的激光投影仪100的概略图。利用图1说明激光投影仪100。

激光投影仪100包括射出激光的激光光源110、调制激光并生成影像光的空间光调制元件120、以及用于射出影像光的投射透镜130。在本实施方式中，激光光源110作为激光光源部而被例示。

图1中，用粗点划线表示投射透镜130的出射瞳(exit pupil)131。激光投影仪100还包括使投射透镜130的出射瞳131的光强度分布均匀化的瞳均匀化元件140。瞳均匀化元件140具有来自激光光源110的激光入射的入射端面141。

图2是形成在瞳均匀化元件140的入射端面141的透镜图案(lens pattern)的概略图。利用图1以及图2说明瞳均匀化元件140以及激光投影仪100。

瞳均匀化元件140具有形成在入射端面141的多个第一要素透镜142。大致正六角形的第一要素透镜142铺设在入射端面141，以便使投射透镜130的出射瞳131的光强度分布均匀化。因此，在入射端面141形成由第一要素透镜142构成的蜂窝结构(honeycomb structure)。

第一要素透镜142为凹面透镜。较为理想的是，第一要素透镜142为抛物面透镜。例如，第一要素透镜142的透镜间距为“约0.2mm”，曲率半径为“约-0.1mm”，圆锥常数为“约-1”。来自激光光源110的激光射入以上述的尺寸值形成的凹面。

射入入射端面141的激光的束径至少大于透镜间距的二倍的值。因此，激光通过多个第一要素透镜142。如上所述形成的第一要素透镜142的凹面(曲面)起到扩展激光的作用。

瞳均匀化元件140具有与入射端面141相反一侧的出射端面143。作为由第一要素透镜142的凹面产生的激光扩展作用的结果，从出射端面143射出的激光重叠并扩展。其结果是，在投射透镜130的出射瞳131的光强度分布适当地得到均匀化。

通过瞳均匀化元件140，从出射端面143射出的激光的出射角度分布得到均匀化。激光入射的入射端面141的区域在以下的说明中被称为有效面。在本实施方式中，由于在整个有效面铺设正六角形的第一要素透镜142，因而有效面不包含光束通过的平坦的面。

激光投影仪100还包括将从出射端面143射出的激光进行准直的准直仪(collimator)150、以及将激光的光束形状整形为空间光调制元件120的形状的光束整形元件160。从设置在激光光源110与光束整形元件160之间的瞳均匀化元件140射出的激光射入准直仪150。随后从准直仪150射出的正六角形的激光成为光强度被均匀化的光束。从准直仪150射出的激光随后射入光束整形元件160。

图3是光束整形元件160的概略立体图。利用图1以及图3说明光束整形元件160以及激光投影仪100。

光束整形元件160具有来自准直仪150的激光入射的入射端面161以及与入射端面161相反一侧的出射端面163。

图3的左图整体示出光束整形元件160。如图3的左图所示，在光束整形元件160的入射端面161形成按照水平方向的曲率半径弯曲的柱面透镜阵列(cylindrical lens array)。另外，在光束整形元件160的出射端面163形成按照垂直方向的曲率半径弯曲的柱面透镜阵列。形成在入射端面161的柱面透镜阵列相对于形成在出射端面163的柱面透镜阵列以直角延伸。

图3的右图是作为上述柱面透镜阵列的一部分而使用的大致长方体状的第二要素透镜162的概略立体图。作为第二要素透镜162的入射端面161而形成的柱面透镜的透镜宽度为“约0.312mm”，曲率半径为“约-0.2mm”，圆锥常数为“约-1”。入射端面161的柱面透镜呈抛物面。作为第二要素透镜162的出射端面163而形成的柱面透镜的透镜宽度为“约0.2mm”，曲率半径为“约-0.2mm”，圆锥常数为“约-1”。出射端面163的柱面透镜呈抛物面。

在入射端面161以及出射端面163分别形成凹面透镜的第二要素透镜162如图3的左图所示在水平方向以及垂直方向上铺设。其结果，从出射端面163射出的激光的光束形状被整形为空间光调制元件120的形状。激光入射的入射端面161的区域在以下的说明中被称为有效面。在本实施方式中，由于在整个有效面铺设第二要素透镜162，因而有效面不包含光束通过的平坦的面。

激光投影仪100还包括聚光透镜170、光扩散元件180、PBS190(Polarizing BeamSplitter，偏振分束器)以及场透镜210。从光束整形元件160射出的激光由聚光透镜170聚光后通过光扩散元件180。由于光扩散元件180扩散激光，因此使散斑杂讯减少。然后，激光通过PBS190向空间光调制元件120反射，经由场透镜210对空间光调制元件120进行照明。

光束整形元件160将激光整形为“4∶3(纵横比)”的矩形剖面的光束。此外，整形后的激光的光强度分布维持被均匀后的状态。空间光调制元件120调制以此方式整形后的光束光并生成影像光。在本实施方式中，作为空间光调制元件120，使用反射型的空间调制元件。更具体而言，作为激光投影仪100中组装的空间光调制元件120，使用对角为0.37in的LCOS。由空间光调制元件生成的影像光通过场透镜210以及PBS190，最终从投射透镜130射出。

(光强度分布的均匀化)

图4是表示激光投影仪100与收看者的眼E之间的位置关系的概略图。利用图1至图4对光强度分布的均匀化进行说明。

从投射透镜130射出的影像光向屏幕等显示面220投影。图4中示出位于激光投影仪100的投影方向上的收看者的眼E。该收看者窥视激光投影仪100的投射透镜130。因此，影像光经由收看者的瞳孔P到达视网膜R。如图4所示，若收看者窥视投射透镜130，则在出射瞳131的像映在视网膜R上时光达到最强。

此时，若在出射瞳131的光强度分布具有过强的部分，则视网膜R上也产生光强度较强的部分。在视网膜R上产生光强度过强的部分从安全性的观点出发是不理想的。

图5(A)及图5(B)是表示光束整形元件160与出射瞳131的位置关系的概略图。利用图2至图5(B)对光强度分布的均匀化进一步进行说明。

光束整形元件160与出射瞳131存在共轭关系(conjugated relationship)。所谓共轭关系，是指从两点的其中一点产生的光在另一点处成像的位置关系。

在图5(A)中，示出光束整形元件160的大致中央的虚拟点P1以及出射瞳131的大致中央的虚拟点P2。在虚拟点P1处产生的光通过聚光透镜170、光扩散元件180、PBS190、以及场透镜210，到达空间光调制元件120。空间光调制元件120反射来自虚拟点P1的光。被空间光调制元件120反射的光随后通过场透镜210以及PBS190，最终在投射透镜130的出射瞳131的大致中央的虚拟点P2处成像。

在图5(B)中，示出光束整形元件160的边缘的虚拟点Q1以及出射瞳131的边缘的虚拟点Q2。在虚拟点Q1处产生的光通过聚光透镜170、光扩散元件180、PBS190以及场透镜210，到达空间光调制元件120。空间光调制元件120反射来自虚拟点Q1的光。被空间光调制元件120反射的光随后通过场透镜210以及PBS190，最终在投射透镜130的出射瞳131的边缘的虚拟点Q2处成像。

如图5(A)及图5(B)所示，由于投射透镜130的出射瞳131与光束整形元件160存在共轭关系，因此射入光束整形元件160的光的强度分布反映到投射透镜130的出射瞳131。如上所述，瞳均匀化元件140使射入光束整形元件160的激光的光强度分布均匀化。这意味着瞳均匀化元件140使出射瞳131的激光的强度分布均匀化。

如上所述，由于瞳均匀化元件140使投射透镜130的出射瞳的影像光的光强度分布均匀化，因而在视网膜R上不会产生光强度过高的部分。因此，即使收看者偶然地窥视激光投影仪100的投射透镜130，激光投影仪100也能安全地投射影像光。

映在眼E的视网膜R上的出射瞳131的像的光强度依赖于射入眼E的瞳孔P的光量。射入眼的瞳孔P的光量越多，视网膜R上的光强度越高。例如，若显示面220的中央部被最明亮地照明，且收看者在投射透镜130与显示面220的中央部之间的区域窥视投射透镜130，则射入瞳孔P的光量达到最大。另一方面，例如，若在显示面220的端部区域显示亮度较低的影像，且收看者在投射透镜130与显示面220的端部区域之间的空间中窥视投射透镜130，则射入瞳孔P的光量减小。若不存在向瞳孔P入射的光量过度增多的部分，则可确保激光投影仪100的较高的安全性。

本实施方式的光束整形元件160使射向空间光调制元件120的光量均匀化，以便在显示面220上不产生过度明亮的部分。因此，即使收看者在投射透镜130与显示面220之间的空间的任意位置窥视投射透镜130，射入瞳孔P的光量也不会过度增大。因此，激光投影仪100能够安全地投射影像光。

如参照图2所说明的那样，瞳均匀化元件140具有铺设了第一要素透镜142的有效面。瞳均匀化元件140利用不包含平面部的有效面上的折射效果，使出射瞳131的光强度均匀化。

光束整形元件160具有铺设了第二要素透镜162的有效面。光束整形元件160利用不包含平面部的有效面上的折射效果，将光束整形为空间光调制元件120的形状。

因此，瞳均匀化元件140以及光束整形元件160能够在不产生零次光成分的情况下进行光强度的均匀化以及光束整形。此外，若在光学***中使用全息元件或衍射元件，则产生零次光成分。

如果不铺满第一要素透镜以及第二要素透镜，则使有效面具有平面部。若有效面包含平面部，则即使是排列了微小的要素透镜的透镜阵列，也会产生零次光成分。零次光成分引起明显较高的峰值强度。因此，零次光成分的产生在窥视投射透镜的收看者的眼的视网膜上产生光强度非常高的部分。这从安全性的观点出发是不理想的。

在本实施方式中，由于在瞳均匀化元件140以及光束整形元件160的有效面分别铺满第一要素透镜142以及第二要素透镜162，因而不会产生由零次光成分造成的过高的光强度的部分。此外，“平面部”的术语意味着激光入射的面以及出射的面均为平坦的部位。另外，“有效面”的术语如上所述意味着激光透过的区域。

瞳均匀化元件140利用第一要素透镜142的折射力，使分别从多个第一要素透镜142扩展的激光相互重叠。因此，瞳均匀化元件140能够单独地使光强度均匀化。

光束整形元件160利用第二要素透镜162的折射力，使分别从多个第二要素透镜162扩展的激光相互重叠。因此，光束整形元件160能够单独地整形光束。

瞳均匀化元件140在使光强度均匀化的同时除去散斑杂讯。散斑杂讯在收看者观看显示面220时产生。散斑杂讯的大小依赖于在投射透镜130的出射瞳131的光强度分布。在本实施方式中，由于瞳均匀化元件140使投射透镜130的出射瞳131的光强度分布均匀化，因而散斑杂讯也被适当地减少。瞳均匀化元件140基于第一要素透镜142的凹面的曲率，能够使光强度均匀化直至出射瞳131的外周部为止。因此，瞳均匀化元件140例如能够使具有按照高斯分布的光量分布的光的强度适当地均匀化。

如上所述，光束整形元件160使显示面220的光量分布均匀化。在光量较多的显示区域中，散斑杂讯容易醒目(即容易被收看者察觉)。在本实施方式中，由于光束整形元件160使显示面220的光量分布均匀化，因而不易产生散斑杂讯醒目的显示区域。

激光投影仪100包括激光光源110、空间光调制元件120、投射透镜130、使投射透镜130的出射瞳131的光强度分布均匀化的瞳均匀化元件140、以及对激光的光束形状进行整形的光束整形元件160。瞳均匀化元件140具有铺设了第一要素透镜142的有效面。另外，光束整形元件160具有铺设了第二要素透镜162的有效面。因此，激光投影仪100不仅能够使投射透镜130的出射瞳131的光强度分布适当地均匀化，还能够使显示面220的光量分布也均匀化。此外，激光投影仪100能够在不产生零次光成分的情况下实现光强度分布以及光量分布的均匀化。因此，在窥视投射透镜130的收看者的眼E的视网膜R上不会产生光强度过于增高的部分。此外，作为在出射瞳131的光强度分布以及在显示面220的光量分布的均匀化的结果，散斑杂讯被适当地减少。这样，在显示面220映出的影像几乎不包含散斑杂讯醒目的区域。

激光投影仪100的瞳均匀化元件140被设置在激光光源110与光束整形元件160之间。射入瞳均匀化元件140的激光根据第一要素透镜142的扩展角相应地扩展。其结果是，从第一要素透镜142射出的激光重叠，并射入光束整形元件160。这样，光强度分布得到均匀化。即使射入瞳均匀化元件140的第一要素透镜142的激光的光量不同，激光也通过第一要素透镜142的透镜光学能力(lens power)而发生重叠。因此，瞳均匀化元件140单独即可实现光强度的均匀化。光强度被均匀化的激光射入与投射透镜130的出射瞳131存在共轭关系的光束整形元件160。因此，即使激光投影仪100被小型化，也可实现在出射瞳131的光强度的均匀化。

瞳均匀化元件140的第一要素透镜142以及光束整形元件160的第二要素透镜162均为凹面透镜。瞳均匀化元件140以及光束整形元件160具有由上述凹面透镜形成的透镜阵列。第一要素透镜142以及第二要素透镜162能够使激光在很小的光路长内重叠，从而实现光强度及/或光量的均匀化。因此，具有由上述凹面透镜形成的透镜阵列的瞳均匀化元件140以及光束整形元件160对紧凑的光学***的设计做出贡献。

较为理想的是，用于透镜阵列的多个第一要素透镜142的形状为相同或相似形状。若将相同或相似形状的第一要素透镜142用于透镜阵列，则径向(diameter direction)的曲率分布一致。其结果是，从透镜阵列射出的激光的出射角度分布以及光强度分布得到均匀化。

较为理想的是，用于透镜阵列的多个第二要素透镜162的形状为相同或相似形状。若将相同或相似形状的第二要素透镜162用于透镜阵列，则径向的曲率分布一致。其结果是，从透镜阵列射出的激光的出射角度分布以及光强度分布得到均匀化。

较为理想的是，瞳均匀化元件142的第一要素透镜142的凹曲面(透镜面)具有随着远离中心而减小的曲率分布。另外，较为理想的是，光束整形元件160的第二要素透镜162的凹曲面(透镜面)具有随着远离中心而减小的曲率分布。更为理想的是，第一要素透镜142以及第二要素透镜162具有利用圆锥常数或二次非球面系数修正了球面像差的曲面。

第一要素透镜142为凹型的抛物面透镜。随着接近第一要素透镜142的外缘，曲率减小。第二要素透镜162在入射端面161以及出射端面163分别具有柱面透镜。形成在入射端面161的柱面透镜的轴与形成在出射端面163的柱面透镜的轴垂直。两柱面透镜的曲率随着接近该透镜的外缘而减小。在本实施方式中，利用圆锥常数为“-1”的抛物面修正球面像差。

图6是概略表示球面以及抛物面的角度的取向特性(orientation characteristic)的曲线图。利用图1、图3、图4以及图6说明球面以及抛物面之间的取向特性的差异。

在图6中，用虚线表示曲率半径为“1”的球面的形状(y)以及径向的面的斜率(dy/dx)。而且，用虚线(应为实线)表示顶点处的曲率半径为“1”的抛物面的形状(y)以及径向的面的斜率(dy/dx)。此外，图6的曲线图的横轴表示径向。

关于球面，若径向的值增大，则面的斜率也增大，最终发散。另一方面，关于曲率随着远离透镜中心而减小的曲面(即抛物面)，即使径向的值增大，面的斜率与球面相比也不增大。

本实施方式的瞳均匀化元件140以及光束整形元件160的出射角度分布分别依赖于第一要素透镜142以及第二要素透镜162的曲率分布。由于激光投影仪100的瞳均匀化元件140的出射角度分布得以均匀化，因而投射透镜130的出射瞳131的光强度也被均匀化。另外，由于光束整形元件160的出射角度分布得以均匀化，因而对空间光调制元件120进行照明的光量分布也被均匀化。为了实现出射角度分布的均匀化，对第一要素透镜142以及第二要素透镜162的径向的面的倾斜进行控制。若使激光投影仪100小型化，则激光投影仪100需要小型的光学***。因此，较为理想的是，将第一要素透镜142以及第二要素透镜162的扩展角设定得较大。若扩展角设定得较大，则光轴方向的长度适宜被缩短。

例如，在球面的情况下，在径向的值较小的范围(即扩展角较小的范围)中，径向的面的斜率大致为线性，可得到大致均匀的出射角度分布。但是，若径向的值增大(即扩展角增大)，如图6所示，径向的面的倾斜发散。其结果是，出射角度较大的光的强度变小。

另一方面，若如图5(应为图6)所示的抛物面那样曲率随着远离透镜中心而减小，则即使径向的值增大(即，即使扩展角增大)，径向的面的斜率也维持线性关系。因此，可得到均匀的出射角度分布。

第一要素透镜142以及第二要素透镜162的形状为利用圆锥常数修正了球面像差的抛物面，因而即使将第一要素透镜142以及第二要素透镜162的扩展角设定得较大，也能得到均匀的出射角度分布。因此，用于激光投影仪100的光学***得以小型化。

在本实施方式中，第一要素透镜142以及第二要素透镜162具有抛物面。取而代之，也可以采用曲率随着远离透镜中心而减小的其他的面形状。在这种面形状下，也同样可抑制径向的面的斜率的发散(参照图6的球面的曲线)，实现出射角度分布的均匀化。具有利用圆锥常数或二次非球面系数修正了球面像差的曲面的透镜不包含拐点。因此，这种透镜不会引起拐点处的光量集中。基于四次等高次非球面系数对透镜曲面的修正使透镜产生拐点。拐点除了引起在本实施方式中说明的不理想的光量集中，还使第一要素透镜以及第二要素透镜的制作变得困难。其结果是，第一要素透镜以及第二要素透镜的制作成本增大。

从激光投影仪100的光束整形元件160射出的激光按照第二要素透镜162的曲率分布(扩展角)进行扩展并且重叠。其结果是，激光被整形为空间光调制元件120的形状。重叠的激光射入光扩散元件180。随后，激光射入空间光调制元件120。

如上所述，激光投影仪100的光束整形元件160的位置与投射透镜130的出射瞳131存在共轭关系。光束整形元件160使用多个第二要素透镜162而形成。在光扩散元件180不存在时，第二要素透镜162的焦点处的聚光有时也在投射透镜130的出射瞳131内被观察到。在光扩散元件180不存在时，第二要素透镜162的焦点处的聚光有时也在投射透镜130的出射瞳131内产生光强度较高的点。在本实施方式中，光扩散元件180设置在光束整形元件160与空间光调制元件120之间。其结果是，不易在投射透镜130的出射瞳131处观察到第二要素透镜162的焦点处的聚光。较为理想的是，光扩散元件180被设置在来自多个第二要素透镜162的光重叠的位置。这种光扩散元件180的配置适宜防止观察到各个第二要素透镜162的焦点的聚光。因此，按照本实施方式的原理，可实现在投射透镜130的出射瞳131的光强度的均匀化。其结果是，激光投影仪100能够减少散斑杂讯，安全地显示高质量的影像。

在本实施方式中，激光投影仪100的空间光调制元件120为反射型的空间光调制元件。LCOS作为反射型的空间光调制元件而被例示。从光束整形元件160射出的激光通过聚光透镜170以及场透镜210，射入空间光调制元件120。随后，空间光调制元件120反射激光。被反射的激光再次通过场透镜210，最终从投射透镜130投射到显示面220上。

聚光透镜170在空间光调制元件120的附近形成焦点。聚光透镜170使通过光束整形元件160而被整形的激光以均匀的光强度分布照射整个空间光调制元件120(直至空间光调制元件120的端部)。

紧邻空间光调制元件120的前面配置的场透镜210用于将从空间光调制元件120的端部反射的光引导至投射透镜。反射型空间光调制元件(空间光调制元件120)与投射透镜130之间的光学路径与照明光学***重复。因此，不可将投射透镜130配置在空间光调制元件120的附近。在场透镜210不存在时，投射透镜130难以获取从反射型空间光调制元件120的端部反射的影像光。若投射透镜130未获取从反射型空间光调制元件120的端部反射的影像光，则显示面220的端部的影像容易被显示得较暗。

在本实施方式中，在投射透镜130的出射瞳131的光强度得到均匀化。因此，在场透镜210不存在时，投射透镜130对来自空间光调制元件120的端部的反射光的获取量容易降低。场透镜210适宜抑制这种获取量的降低。

如上所述，在本实施方式中，聚光透镜170以均匀的光强度分布照明整个空间光调制元件120(直至空间光调制元件120的端部)。场透镜210提高来自空间光调制元件120的端部的反射光的获取量。因此，按照本实施方式的原理，显示面220的端部附近的影像也被明亮地显示，显示面220的中央部的影像明显地比显示面220的端部的影像亮的现象几乎不发生。显示面220的中央部过度明亮显示不仅意味着画质的劣化，还意味着安全性的降低。本实施方式的激光投影仪100能够使显示面220的端部附近的影像也较为明亮，并且能够安全地进行显示。

对参照图3说明的光束整形元件160的第二要素透镜162的数值孔径进行说明。形成在入射端面161的柱面透镜的数值孔径在水平方向上为NA0.35。形成在出射端面163的柱面透镜的数值孔径在垂直方向上为NA0.26。矩形的第二要素透镜162在对角方向上的数值孔径为NA0.44。在本实施方式中，较为理想的是，光束整形元件160的第二要素透镜162的最大数值孔径被设定为0.3以上。

在本实施方式中，光束整形依赖于基于第二要素透镜162的数值孔径而确定的扩展角。若第二要素透镜162的数值孔径设定得较大，则光束整形所需的光学距离缩短。因此，若将第二要素透镜162的最大数值孔径设定为0.3以上，则激光投影仪100适当地实现小型化。如上所述，较为理想的是，曲面的曲率随着远离第二要素透镜162的中心而减小。尤为理想的是，第二要素透镜162的曲面为抛物面。

如图6的曲线(dy/dx)所示，若第二要素透镜162的折射率为1.5，则“0.3”的数值孔径对于球面在图5(应为图6)的横轴的半径中相当于“0.54”的值，对于抛物面相当于“0.64”的值。若数值孔径超过“0.3”，在球面的情况下，相对于半径的斜率(dy/dx)发散。这意味着被整形的光束的发散以及整形后的光束的强度降低。另一方面，在抛物面的情况下，即使数值孔径超过“0.3”，相对于半径的斜率也线性地变化，因而维持均匀的光束强度。若第二要素透镜162具有0.3以上的最大数值孔径以及曲率随着远离透镜中心而减小的曲面，则可兼顾激光投影仪100的小型化以及均匀的光束整形。

如图1所示，激光投影仪100还包括支撑光束整形元件160的致动器250。致动器250使光束整形元件160沿着与在激光光源110与空间光调制元件120之间规定的光轴垂直的面(图1的箭头方向)往复移动(频率：120Hz，最大振幅：100μm)。通过了光束整形元件160的激光经由光扩散元件180，射入空间光调制元件120。在本实施方式中，致动器250作为移动机构而被例示。作为致动器250，例示电磁线圈式的致动器、马达式的致动器或能够实现上述的光束整形元件160的往复移动的其他致动器。

较为理想的是，致动器250使光束整形元件160以设定得比第二要素透镜162的最小剖面尺寸“200μm”小的最大振幅往复移动。此外，“最小剖面尺寸”的术语意味着连接第二要素透镜162的矩形剖面相对置的边缘部的线段中较短的长度尺寸。

提出了为了减少散斑杂讯而使光学元件移动的各种移动机构。由于本实施方式的激光投影仪100具有适宜减少散斑杂讯的结构，因而可以将基于致动器250的光束整形元件160的移动振幅设定得较小。因此，激光投影仪100通过利用小型的致动器250，能够以较少的功耗减少散斑杂讯。

在本实施方式中，从多个第二要素透镜162扩展的激光相互重叠并被整形为空间光调制元件120的形状。然后，重叠的激光通过光扩散元件180，对空间光调制元件120进行照明。来自多个第二要素透镜162的激光重叠后通过光扩散元件180，其结果，与各第二要素透镜162对应的光源像被扩展，变得大于第二要素透镜162的大小。基于致动器250的散斑杂讯的除去意味着使第二要素透镜162的光源像移动，与相邻的光源像的时间积分的结果，产生光源像之间的重合。如上所述，由于光扩散元件180扩展第二要素透镜162的光源像，使其大于第二要素透镜162的大小，因而即使将基于致动器250的往复移动的振幅设定得小于第二要素透镜162的最小剖面尺寸，也可充分地除去散斑杂讯。这样，激光投影仪100能够利用小型的致动器250，以较少的功耗减少散斑杂讯。

在以下的说明中，投射透镜130的F值(F-number)用符号“F#”表示。射入光束整形元件160的激光在长边方向的束径用符号“D”表示。聚光透镜170以及场透镜210的合成焦距用符号“f”表示。在本实施方式中，聚光透镜170以及场透镜210作为透镜群而被例示。

较为理想的是，本实施方式的激光投影仪100的光学设计满足由以下的数式表示的关系。

F#＜f/D＜2×F#    (数式1)

在本实施方式中，激光投影仪100的投射透镜130的F#为“1.4”。射入光束整形元件160的激光在长边方向的束径D为“6mm”。聚光透镜170以及场透镜210的合成焦距f为10mm。

若“f/D”的值小于“F#”，则投射透镜130无法充分获取来自空间光调制元件120的反射光，因而产生较大的光量损失。其结果是，光利用效率降低。大于“2×F#”的“f/D”的值意味着仅投射透镜130的出射瞳131的中央区域用于影像光的射出。本实施方式的激光投影仪100以满足由上述数式表示的关系的方式进行光学设计，因而能够以高效率利用光，并安全地投射影像光。

第二实施方式

图7是第二实施方式的激光投影仪100A的概略图。利用图7说明激光投影仪100A。此外，对与在第一实施方式中说明的要素相同的要素标注相同的符号。省略对这些相同的要素的说明。

激光投影仪100A与第一实施方式的激光投影仪100同样，包括瞳均匀化元件140、准直仪150、聚光透镜170、光扩散元件180、PBS190、场透镜210、投射透镜130以及致动器250。激光投影仪100A还包括射出红色激光的红色激光光源110r、射出绿色激光的绿色激光光源110g以及射出蓝色激光的蓝色激光光源110b。在本实施方式中，红色激光光源110r、绿色激光光源110g以及蓝色激光光源110b作为激光光源部而被例示。

激光投影仪100A还包括与红色激光光源110r、绿色激光光源110g以及蓝色激光光源110b分别对应设置的准直仪111、以及配置在这些准直仪111之间的合波棱镜112。从红色激光光源110r、绿色激光光源110g以及蓝色激光光源110b射出的激光由准直仪111分别进行准直。随后，激光通过合波棱镜112而成为同轴。

激光投影仪100A还包括调制激光并生成影像光的空间光调制元件120A。在本实施方式中，作为空间光调制元件120A，适合使用LCOS(纵横比为16∶9)。空间光调制元件120A以分时方式调制红色、绿色以及蓝色的激光。因此，来自红色激光光源110r、绿色激光光源110g以及蓝色激光光源110b的激光的出射时机与空间光调制元件120A的调制动作同步。即，红色激光光源110r、绿色激光光源110g以及蓝色激光光源110b的激光的出射动作依次切换。

激光投影仪100A还包括将激光的光束形状整形为空间光调制元件120A的形状的光束整形元件160A。通过合波棱镜112而成为同轴的激光依次通过瞳均匀化元件140、准直仪150、光束整形元件160A、聚光透镜170、光扩散元件180、PBS190以及场透镜210，对空间光调制元件120A进行照明。

光束整形元件160A具有来自准直仪150的激光入射的入射端面161以及与入射端面161相反一侧的出射端面163。光束整形元件160A由在水平方向以及垂直方向上铺设的矩形的第二要素透镜162A形成。此外，第二要素透镜162A与空间光调制元件120A同样具有“16∶9”的纵横比。

在第二要素透镜162A的入射端面161形成凹型的抛物面(透镜面)。大致长方体形状的第二要素透镜162A的水平方向的宽度为“约0.32mm”，纵向的宽度为“约0.18mm”。第二要素透镜162A的透镜面的曲率半径为“约-0.2mm”，圆锥常数为“约-1”。根据第二要素透镜162A的扩展角而相应地从多个第二要素透镜162A射出的激光扩展并重叠。其结果是，光束被整形为“16∶9”的纵横比的矩形光束。

致动器250使光束整形元件160A沿着与光轴垂直的面(图7的箭头方向)往复移动(频率：100Hz，振幅：200μm)。如在第一实施方式中所说明的那样，致动器250使光束整形元件160A以小于第二要素透镜162A的振幅往复移动，从而减少散斑杂讯。

瞳均匀化元件140分别使红色激光、绿色激光以及蓝色激光的出射角度分布均匀化。其结果是，向光束整形元件160A入射的激光的强度分布得到均匀化。

瞳均匀化元件140的玻璃材料的色散在红色激光、绿色激光以及蓝色激光中光束剖面积上产生差异。在本实施方式中，射入光束整形元件160A的蓝色激光的光束剖面积在这些激光中为最大。另外，射入光束整形元件160A的红色激光的光束剖面积在这些激光中为最小。射入光束整形元件160A的绿色激光的光束剖面积大于红色激光的光束剖面积，且小于蓝色激光的光束剖面积。

本实施方式的激光投影仪100A包括红色激光光源110r、绿色激光光源110g以及蓝色激光光源110b。射入光束整形元件160A的红色激光的剖面积小于蓝色激光以及绿色激光的剖面积。在投射透镜130的出射瞳131的光强度分布受到射入光束整形元件160A的激光的剖面积的影响。在本实施方式中，从在投射透镜130的出射瞳131的光强度分布的均匀化的观点出发，确定蓝色激光、绿色激光以及红色激光的剖面积的大小关系(蓝＞绿＞红)。

在蓝色激光、绿色激光以及红色激光中，人的视网膜最容易受到波长最短的蓝色激光的影响。因此，从安全性的观点出发，较为理想的是，将在投射透镜130的出射瞳131的蓝色激光的强度设定得较低。在本实施方式中，为了降低在投射透镜130的出射瞳131的蓝色激光的强度，使射入光束整形元件160A的蓝色激光的剖面积大于其他激光的剖面积。

绿色激光具有最高的视觉灵敏度(luminosity function)。因此，若在投射透镜130的出射瞳131的绿色激光的剖面积被扩大，则作为人感到明亮的亮点而觉察到的散斑杂讯被减少。但是，投射透镜130的出射瞳131的绿色激光的剖面积的过度扩大会导致光量的损失。因此，在本实施方式中，射入光束整形元件160A的绿色激光的光束剖面积被设定成大于红色激光的光束剖面积，且小于蓝色激光的光束剖面积。

红色激光与其他激光相比不影响安全性以及散斑杂讯。若减小在投射透镜130的出射瞳131的红色激光的剖面积，则光量的损失减少。因此，从本实施方式的激光投影仪100A的红色激光光源110r射出的红色激光的剖面积被设定得小于蓝色激光以及绿色激光的剖面积。这样，激光投影仪100A能够以较高的光利用效率安全地投射散斑杂讯较少的影像。

本实施方式的激光投影仪100A包括红色激光光源110r、绿色激光光源110g以及蓝色激光光源110b。从红色激光光源110r、绿色激光光源110g以及蓝色激光光源110b分别射出的红色激光、绿色激光以及蓝色激光通过合波棱镜112而成为同轴。随后，瞳均匀化元件140单独地使红色激光、绿色激光以及蓝色激光各自的光强度均匀化。

如果在从红色激光光源、绿色激光光源以及蓝色激光光源分别射出的红色激光、绿色激光以及蓝色激光之间，在投射透镜的出射瞳的光强度分布明显不同，则会导致因投射透镜的周边光量比而在显示影像的显示面上产生色斑。

在本实施方式中，瞳均匀化元件140单独地使红色激光、绿色激光以及蓝色激光各自的光强度均匀化，因而在投射透镜130的出射瞳131的光强度分布在红色激光、绿色激光以及蓝色激光之间呈相同或相似的形状。因此，激光投影仪100A显示的影像的显示面上的色斑减小。

在本实施方式中，激光投影仪100A具备长方体形状的PBS190。取而代之，激光投影仪也可以具备线栅(wiregrid)等薄板状的分束器。本实施方式的原理也适用于利用透射型的液晶元件生成影像光的激光投影仪。

(第三实施方式)

图8是第三实施方式的激光投影仪100B的概略图。利用图2以及图8说明激光投影仪100B。此外，对与在第一实施方式及第二实施方式中说明的要素相同的要素标注相同的符号。省略对这些相同的要素的说明。

激光投影仪100B与第一实施方式的激光投影仪100同样，包括瞳均匀化元件140、准直仪150以及致动器250。另外，激光投影仪100B与第二实施方式的激光投影仪100A同样，还包括红色激光光源110r、绿色激光光源110g、蓝色激光光源110b、准直仪111以及合波棱镜112。

激光投影仪100B还包括调制激光并生成影像光的空间光调制元件120B。在本实施方式中，作为空间光调制元件120B，使用DMD(Digital MicroMirror Device，数字微镜元件)。激光投影仪100B利用红色激光、绿色激光以及蓝色激光，显示彩色的影像。

从红色激光光源110r、绿色激光光源110g以及蓝色激光光源110b分别射出的激光由准直仪111进行准直，随后通过合波棱镜112而成为同轴。

在本实施方式中，作为空间光调制元件120B使用的DMD的纵横比为“4∶3”。空间光调制元件120B以分时方式调制红色、绿色以及蓝色的激光。因此，来自红色激光光源110r、绿色激光光源110g以及蓝色激光光源110b的激光的出射时机与空间光调制元件120B的调制动作同步。即，红色激光光源110r、绿色激光光源110g以及蓝色激光光源110b的激光的出射动作依次切换。

激光投影仪100B还包括将激光的光束形状整形为空间光调制元件120B的形状的光束整形元件160B、使整形后的激光聚光的聚光透镜170B、以及将透过了聚光透镜170B的激光反射至空间光调制元件120B的凹面镜260。通过合波棱镜112而成为同轴的激光依次通过瞳均匀化元件140、准直仪150、光束整形元件160B以及聚光透镜170B，并到达凹面镜260。凹面镜260随后将激光反射至空间光调制元件120B，对空间光调制元件120B进行照明。

光束整形元件160B具有来自准直仪150的激光入射的入射端面161以及与入射端面161相反一侧的出射端面163。光束整形元件160B利用在水平方向以及垂直方向上铺设的矩形的第二要素透镜162B而形成。此外，第二要素透镜162B与空间光调制元件120B同样具有“4∶3”的纵横比。

在第二要素透镜162B的入射端面161形成凸型的抛物面(透镜面)。大致长方体形状的第二要素透镜162B的水平方向的宽度为“约0.16mm”，纵向的宽度为“约0.12mm”。第二要素透镜162B的透镜面的曲率半径为“约0.1mm”，圆锥常数为“约-1”。从多个第二要素透镜162B射出的激光根据第二要素透镜162B的扩展角而相应地扩展并重叠。其结果是，光束被整形为“4∶3”的纵横比的矩形光束。

致动器250使光束整形元件160B沿着与光轴垂直的面(图8的箭头方向)往复移动(频率：200Hz，振幅：100μm)。如在第一实施方式中所说明的那样，致动器250使光束整形元件160B以小于第二要素透镜162B的振幅往复移动，从而减少散斑杂讯。

激光投影仪100B还包括投射透镜130B。空间光调制元件120B使微小镜(未图示)动作，仅将在显示面上显示的影像光引导至投射透镜130B。

光束整形元件160B的位置与投射透镜130B的出射瞳131存在共轭关系。因此，射入光束整形元件160B的激光的光强度分布反映到在投射透镜130B的出射瞳131的光强度分布上。

如参照图2所说明的那样，激光投影仪100B的瞳均匀化元件140包括纵横铺设的第一要素透镜142。因此，瞳均匀化元件140能够使射入光束整形元件160B的激光的光强度分布适当地均匀化。其结果，在投射透镜130B的出射瞳131的光强度分布也得以均匀化。这样，激光投影仪100B能够安全地投射散斑杂讯被减少的影像。

在本实施方式中，投射透镜130B的F#为2.4。射入光束整形元件160B的激光在长边方向的束径D为6mm。聚光透镜170B以及凹面镜260的合成焦距f为14.5mm。在本实施方式中，聚光透镜170B以及凹面镜260作为透镜群而被例示。

具有上述光学参数的设定值的激光投影仪100B满足上述的“F#＜f/D＜2×F#”的关系。因此，激光投影仪100B能够以较高的光利用效率安全地投射影像。

(第四实施方式)

图9是第四实施方式的激光投影仪100C的概略图。利用图9说明激光投影仪100C。此外，对与在第一实施方式至第三实施方式中说明的要素相同的要素标注相同的符号。省略对这些相同的要素的说明。

激光投影仪100C与第一实施方式的激光投影仪100同样，包括空间光调制元件120以及投射透镜130。另外，激光投影仪100C与第二实施方式的激光投影仪100A同样，还包括红色激光光源110r、绿色激光光源110g以及蓝色激光光源110b。

激光投影仪100C还包括设置在红色激光光源110r、绿色激光光源110g以及蓝色激光光源110b之间的带有透镜的合波棱镜112C。作为复合光学部件而起作用的合波棱镜112C具有透镜面。

激光投影仪100C还包括与合波棱镜112C相邻设置的复合透镜270，以及设置在复合透镜270、空间光调制元件120以及投射透镜130之间的带有透镜的PBS190C。在本实施方式中，激光投影仪100C作为彩色激光投影仪而起作用。

激光投影仪100C还包括对应于从红色激光光源110r、绿色激光光源110g以及蓝色激光光源110b朝向合波棱镜112C的光路分别设置的瞳均匀化元件140r、140g、140b。从红色激光光源110r、绿色激光光源110g以及蓝色激光光源110b射出的红色激光、绿色激光以及蓝色激光分别射入瞳均匀化元件140r、140g、140b。

瞳均匀化元件140r、140g、140b与在第一实施方式至第三实施方式中说明的瞳均匀化元件140同样，具有多个第一要素透镜(后述)。通过铺设的第一要素透镜，使红色激光、绿色激光以及蓝色激光的出射角度适当地得到均匀化。

带有透镜的合波棱镜112C对激光进行准直以及合波，并将红色激光、绿色激光以及蓝色激光引导至复合透镜270。

复合透镜270具有通过了合波棱镜112C的激光入射的入射端面271以及与入射端面271相反一侧的出射端面273。在入射端面271，在水平方向以及垂直方向上铺设第二要素透镜272。另外，在出射端面273形成凸透镜。这样，出射端面273作为聚光透镜而起作用。

从复合透镜270射出的激光通过带有透镜的PBS190C，对空间光调制元件120进行照明。由空间光调制元件120调制过的激光再次通过带透镜的PBS190C，到达投射透镜130。激光最终从投射透镜130向显示面投射。

瞳均匀化元件140r、140g、140b使投射透镜130的出射瞳131的光强度分布均匀化。因此，激光投影仪100C能够安全地投射散斑杂讯被减少的影像。

图10(A)是设置在红色激光光源110r与合波棱镜112C之间的瞳均匀化元件140r的概略图。图10(B)是在绿色激光光源110g与合波棱镜112C之间的瞳均匀化元件140g的概略图。图10(C)是在蓝色激光光源110b与合波棱镜112C之间的瞳均匀化元件140b的概略图。

瞳均匀化元件140r包括多个第一要素透镜142r。第一要素透镜142r为矩形的凸型透镜。通过铺设第一要素透镜142r而形成瞳均匀化元件140r。

第一要素透镜142r的宽度为“约0.08mm”，高度为“约0.06mm”。第一要素透镜142r的曲面的曲率中心被设定在矩形面的中心。第一要素透镜142r的曲率半径为“约0.04mm”，圆锥常数为“约-1”。第一要素透镜142r为凸型的抛物面透镜。

瞳均匀化元件140g、140b也与瞳均匀化元件140r同样，分别通过铺设第一要素透镜142g、142b而形成。第一要素透镜142g、142b分别具有与第一要素透镜142r相同的曲率半径以及圆锥常数。但是，第一要素透镜142g、142b的宽度尺寸以及高度尺寸与第一要素透镜142r不同。

第一要素透镜142g为矩形透镜，第一要素透镜142g的宽度尺寸以及高度尺寸均为“约0.09mm”。第一要素透镜142b为矩形透镜，第一要素透镜142g(应为142b)的宽度尺寸为“约0.08mm”，高度尺寸为“约0.09mm”。

激光投影仪100C包括配合红色激光光源110r、绿色激光光源110g以及蓝色激光光源110b的出射角度而具有不同的扩展角的瞳均匀化元件140r、140g、140b。在本实施方式中，作为红色激光光源110r以及蓝色激光光源110b，使用半导体激光器。另外，作为绿色激光光源110g，使用波长转换激光器。绿色激光光源110g的出射角度分布根据偏振方向，与使用半导体激光器的红色激光光源110r以及蓝色激光光源110b有较大差异。

第一要素透镜142r的宽度尺寸以及高度尺寸为不同的值。另外，第一要素透镜142b的宽度尺寸以及高度尺寸也为不同的值。上述的宽度尺寸以及高度尺寸之间的差异由用于使刚刚从红色激光光源110r以及蓝色激光光源110b射出之后的激光的出射角度分布接近圆形分布的设计产生。结合红色激光光源110r以及蓝色激光光源110b各自的偏振方向，设定第一要素透镜142r、142b的宽度尺寸以及高度尺寸。

使用波长转换激光器的绿色激光光源110g射出接***行光的光。因此，第一要素透镜142g被设计成在宽度方向以及高度方向的扩展角增大。

在本实施方式中，对红色激光光源110r、绿色激光光源110g以及蓝色激光光源110b使用具有不同的扩展角的瞳均匀化元件140r、140g、140b。因此，在出射瞳131的光强度分布的各向异性减弱。此外，若在出射瞳131的光强度分布具有各向异性，则在显示面上产生色斑等影像的劣化。本实施方式的激光投影仪100C减弱在出射瞳131的光强度分布的各向异性，因而能够投射高质量的影像。

较为理想的是，与红色激光相对应的瞳均匀化元件140r的扩展角被设定成小于分别与绿色激光以及蓝色激光相对应的瞳均匀化元件140g、140b的扩展角。第一要素透镜142r的最大倾斜角度被设定成小于第一要素透镜142g、142b的最大倾斜角度。其结果是，激光投影仪100C的瞳均匀化元件140r的扩展角减小。

红色激光对安全性以及散斑杂讯的影响较小。因此，较为理想的是，瞳均匀化元件140r以尽量提高光利用效率的方式使红色激光的强度分布均匀化。在本实施方式中，瞳均匀化元件140r的扩展角被设定成小于与绿色激光以及蓝色激光相对应的瞳均匀化元件140g、140b的扩展角。因此，几乎不会产生红色激光在通过的光学部件上的损失，因而可实现较高的光利用效率。

带有透镜的合波棱镜112C为正交棱镜(cross prism)，具有红色激光、绿色激光以及蓝色激光分别入射的透镜面115r、115g、115b。在合波棱镜112C的表面形成的透镜面115r、115g、115b作为菲涅耳透镜而起作用。

如上所述，激光投影仪100C的瞳均匀化元件140r、140g、140b使与激光的出射角度分布相应的光强度分布均匀化。透镜面115r、115g、115b随后使激光成为大致平行光。在本实施方式中，透镜面115r、115g、115b与具有合波功能的合波棱镜112C一体形成。

通过瞳均匀化元件140r、140g、140b与出射角度分布相应的光强度分布被均匀化的激光需要由透镜面115r、115g、115b等透镜部分转换成平行光。若透镜部分与对激光进行其他处理(例如同轴、合波)的光学元件一体形成，则可以减少部件数或调整轴。其结果是，激光投影仪100C得以小型化以及低成本化。

作为使激光平行的透镜部分被一体组装的光学元件，除了上述的合波棱镜112C以外，还例示分色镜或光束整形元件。

在本实施方式中，紧接在红色激光光源110r、绿色激光光源110g以及蓝色激光光源110b的后面分别设置瞳均匀化元件140r、140g、140b。在本实施方式中，透镜面115r、115b用于适当地获取来自半导体激光器(红色激光光源110r以及蓝色激光光源110b)的光并使来自瞳均匀化元件140r、140b的光成为大致平行光。由于透镜面115r、115b以此方式发挥两个功能，因而激光投影仪100C的部件数减少。这样，激光投影仪100C得以小型化以及低成本化。

在本实施方式中，紧接在红色激光光源110r、绿色激光光源110g以及蓝色激光光源110b的后面分别设置瞳均匀化元件140r、140g、140b。其结果，激光的功率密度较高的部分减少。在激光投影仪100C中，由于激光的功率密度较高的部分减少，因此，即使在制造激光投影仪100C期间，用于防止激光投影仪100C内的激光泄漏的盖体意外地脱落，也不易产生高功率密度的激光的漏出。这样，提高激光投影仪100C的安全性。

复合透镜270的第二要素透镜272为具有凹型的抛物面的透镜。第二要素透镜272的宽度为“约0.32mm”，纵向的宽度为“约0.24mm”。大致矩形的第二要素透镜272的曲率半径为“约0.2mm”，圆锥常数为“约-1”。通过了第二要素透镜272的激光重叠，并被整形为矩形的光束剖面。

激光投影仪100C还包括致动器250C。致动器250C使复合透镜270沿着与光轴垂直的面进行圆周运动。在本实施方式中，致动器250C作为移动机构而被例示。

激光投影仪100C的复合透镜270是在第一实施方式至第三实施方式中说明的光束整形元件以及聚光透镜被合成一体的光学部件。复合透镜270沿着与光轴垂直的面移动。

利用多个第二要素透镜形成的光束整形元件有时在空间光调制元件上产生与第二要素透镜配置的反复图案相对应的衍射图案。这种衍射图案引起空间光调制元件上的照明不均。

本实施方式的激光投影仪100C包括光束整形元件以及聚光透镜被合成一体的复合透镜270。由于复合透镜270通过致动器250C而被移动，因而衍射图案在空间光调制元件120上移动。其结果是，上述的照明不均得以减轻。复合透镜270的移动意味着第二要素透镜272的聚光点的移动。因此，在投射透镜130的出射瞳131处不易产生光强度较强的第二要素透镜272的聚光点的像。这样，激光投影仪100C能够安全地投射散斑杂讯被减少的影像。

带有透镜的PBS 190C是在第一实施方式至第三实施方式中说明的场透镜以及PBS被合成一体的光学部件。因此，减少了激光投影仪100C的部件数。这样，可实现激光投影仪100C的低成本化以及小型化。

在本实施方式中，用于复合透镜270的多个第二要素透镜272为相同形状和相同大小。取而代之，用于复合透镜的多个第二要素透镜也可以形状相同，但大小不同。进一步取而代之，用于复合透镜的多个第二要素透镜也可以具有大致相同的扩展角，但具有不同的形状。可以铺设这种第二要素透镜而形成复合透镜。

较为理想的是，铺设大小不同但形状相似的多个第二要素透镜，形成复合透镜。若铺满大小不同的第二要素透镜，则起因于第二要素透镜的排列中反复的图案的衍射图案不易产生。其结果，空间调制元件上的照明不均不易产生。

(第五实施方式)

图11是第五实施方式的激光投影仪100D的概略图。利用图11说明激光投影仪100D。此外，对与在第一实施方式至第四实施方式中说明的要素相同的要素标注相同的符号。省略对这些相同的要素的说明。

激光投影仪100D与第一实施方式的激光投影仪100同样，包括瞳均匀化元件140、光扩散元件180、PBS 190以及致动器250。另外，激光投影仪100D与第二实施方式的激光投影仪100A同样，还包括红色激光光源110r、绿色激光光源110g、蓝色激光光源110b、准直仪111以及合波棱镜112。

激光投影仪100D还包括利用圆锥常数修正了球面像差的光束整形元件160D，以及也作为场透镜而起作用的聚光透镜170D。

从红色激光光源110r、绿色激光光源110g以及蓝色激光光源110b射出的红色激光、绿色激光以及蓝色激光分别通过对应的准直仪111被转换为平行光。随后，红色激光、绿色激光以及蓝色激光通过合波棱镜112而成为同轴。

激光投影仪100D还包括调制激光并生成影像光的空间光调制元件120D。在本实施方式中，作为空间光调制元件120D，适宜使用LCOS(纵横比为16∶9)。空间光调制元件120D以分时方式调制红色、绿色以及蓝色的激光。因此，来自红色激光光源110r、绿色激光光源110g以及蓝色激光光源110b的激光的出射时机与空间光调制元件120D的调制动作同步。即，红色激光光源110r、绿色激光光源110g以及蓝色激光光源110b的激光的出射动作依次切换。

激光投影仪100D还包括使通过合波棱镜112而成为同轴的激光平行的准直仪150D。通过合波棱镜112而成为同轴的激光通过瞳均匀化元件140、准直仪150D、光束整形元件160D、光扩散元件180、聚光透镜170D以及PBS190，对空间光调制元件120D进行照明。

图12是光束整形元件160D的概略立体图。利用图11以及图12说明光束整形元件160D以及激光投影仪100D。

光束整形元件160D具有来自准直仪150D的激光入射的入射端面161以及与入射端面161相反一侧的出射端面163。

图12的左图整体表示光束整形元件160D。如图12的左图所示，在光束整形元件160D的入射端面161形成按照水平方向的曲率半径弯曲的柱面透镜阵列。另外，在光束整形元件160D的出射端面163形成按照垂直方向的曲率半径弯曲的柱面透镜阵列。形成在入射端面161的柱面透镜阵列相对于形成在出射端面163的柱面透镜阵列以直角延伸。

图12的右图是作为上述柱面透镜阵列的一部分使用的大致长方体形状的第二要素透镜162D的概略立体图。作为第二要素透镜162D的入射端面161形成的柱面透镜的透镜宽度为“约0.183mm”，曲率半径为“约-0.1mm”，圆锥常数为“约-0.7”。形成在入射端面161的透镜面通过利用上述的圆锥常数修正球面像差，作为非球面凹型的柱面透镜而起作用。

作为第二要素透镜162D的出射端面163形成的柱面透镜的透镜宽度为“约0.21mm”，曲率半径为“约-0.2mm”，圆锥常数为“约-1.8”。形成在出射端面163的透镜面通过利用上述的圆锥常数修正球面像差，作为非球面凹型的柱面透镜而起作用。

在入射端面161以及出射端面163分别形成凹面透镜的第二要素透镜162D如图12的左图所示，在水平方向以及垂直方向上铺设。光束整形元件160D利用丙烯树脂(折射率n：1.49)形成。将丙烯树脂的折射率考虑在内，第二要素透镜162的圆锥常数被设定成相对于透镜的径向的折射率(sinθ)接近线性。

图13是表示利用丙烯树脂形成的第二要素透镜162D的入射端面161的透镜直径(lensdiameter)与折射角(sinθ)之间的关系的曲线图。在图13中，表示相对于形成球面状的透镜(圆锥常数：0)、形成抛物面状的透镜(圆锥常数：-1)、以及本实施方式的透镜(圆锥常数：-0.7)的折射角的数据。利用图11至图13比较它们之间的折射角的变化。

在球面的情况下，随着透镜直径的增大，sinθ与透镜直径之间的关系向正的方向发散。这意味着空间光调制元件的周缘部变暗。另一方面，在抛物面的情况以及圆锥常数为“-0.7”的情况下，sinθ与透镜直径之间的关系呈大致线性。这意味着整个空间光调制元件(直至空间光调制元件的周缘部)以均匀的光量被照明。

如上所述，在第二要素透镜162D的入射端面161以及出射端面163形成弯曲的透镜面。出射端面163与入射端面161的球面像差不同。因此，形成在出射端面163的透镜的圆锥常数与形成在入射端面161的透镜不同。

上述的原理也可以同样适用于瞳均匀化元件140的设计。即，瞳均匀化元件140使用的第一要素透镜142可以利用圆锥常数或二次非球面系数修正球面像差。

激光投影仪100D还包括投射透镜130D。由空间光调制元件120D进行了调制的光通过PBS190以及投射透镜130D，投影到显示面上。投射透镜130D的出射瞳131与光束整形元件160D的位置存在共轭关系。因此，射入光束整形元件160D的激光的强度分布反映到在投射透镜130D的出射瞳131的光强度分布上。在本实施方式中，瞳均匀化元件140能够使射入光束整形元件160D的光的强度分布适当地均匀化。因此，在投射透镜130D的出射瞳131的光强度分布适宜地被均匀化。

聚光透镜170D将由光束整形元件160D扩展的光束进行聚光以及远心化，也作为场透镜而起作用。由于聚光透镜170D也作为场透镜而起作用，因而激光投影仪100D的部件数减少。这样，可提供低成本的激光投影仪100D。

(第六实施方式)

在第六实施方式中，说明图14(A)以及图14(B)所示的大致圆板状的瞳均匀化元件140E。瞳均匀化元件140E可以作为上述一系列实施方式的激光投影仪的瞳均匀化元件使用。

图14(A)是瞳均匀化元件140E的概略俯视图。图14(B)是瞳均匀化元件140E的概略侧视图。利用图14(A)以及图14(B)说明瞳均匀化元件140E。

大致圆板状的瞳均匀化元件140E具有大致平坦的第一端面145、与第一端面145相反一侧的第二端面146、以及第一端面145与第二端面146之间的周面147。第一端面145以及第二端面146的其中之一的端面用作为激光入射的入射端面，另一端面用作为激光出射的出射端面。

瞳均匀化元件140E具有形成在第一端面145的多个第一要素透镜142E。如在第一实施方式至第五实施方式中说明的那样，大致正六角形的第一要素透镜142E铺设在第一端面145，使投射透镜的出射瞳的光强度分布均匀化。因此，在第一端面145形成由第一要素透镜142E构成的蜂窝结构。

第一要素透镜142E为凹面的非球面透镜。第一要素透镜142E的透镜间距为“约0.75mm”，曲率半径为“约-0.05mm”，圆锥常数为“约-0.7”。

瞳均匀化元件140E具有形成在第二端面146的球面形状的突出部148与平坦面149。突出部148的曲率半径例如为约7mm。若激光射入第一端面145(由第一要素透镜142E构成的蜂窝结构)，则激光从突出部148射出。若激光射入突出部148，则激光从由第一要素透镜142E构成的蜂窝结构射出。

在铺设第一要素透镜142E的瞳均匀化元件140E的第二端面146形成突出部148。在第二端面146的中心形成的突出部148能够使通过瞳均匀化元件140E的光向通过瞳均匀化元件140E的中心的轴聚光。因此，在铺设第一要素透镜142E的第一端面145上，从瞳均匀化元件140E的中心到周缘，激光被均匀地扩展，利用第二端面146的突出部148，通过瞳均匀化元件140E的中心部分的光以与周围的光不同的折射率折射。其结果是，在投射透镜的出射瞳的光强度分布得以均匀化。

本实施方式的瞳均匀化元件140E利用对玻璃材料的加压成型技术适当地成型。形成在第二端面146的突出部148可适宜用于加压成型时的透镜的中心对齐。因此，瞳均匀化元件140E具有较高的成型性。

若不存在突出部(即，若第二端面整体为平坦的面)，则在成型模具的角落部透镜材料会发生偏斜。其结果是，例如，第一端面/第二端面与周面之间容易产生毛刺(burr)。本实施方式的瞳均匀化元件140E的突出部148抑制成型时的透镜材料的偏斜，因而不易产生毛刺等成型不良。

上述实施方式主要包括以下结构。包括以下结构的激光投影仪使投射的像的光强度分布以及在投射透镜的出射瞳的光强度分布适宜地均匀化。由于不射出过高强度的光，所以可提供具有较高安全性的激光投影仪。此外，作为投射的像的光强度分布以及在投射透镜的出射瞳的光强度分布的均匀化的结果，不易产生由局部增加的光强度造成的散斑杂讯。因此，按照上述实施方式的原理的小型激光投影仪能够实现较高的安全性以及散斑杂讯的减少。

上述实施方式所涉及的激光投影仪包括：射出激光的激光光源部；调制所述激光生成影像光的空间光调制元件；用于射出所述影像光的投射透镜；将所述激光的光束形状整形为所述空间光调制元件的形状的光束整形元件；以及使该投射透镜的出射瞳的光强度分布均匀化的瞳均匀化元件，其中，该瞳均匀化元件设置在所述激光光源部与所述光束整形元件之间。

根据上述结构，光束整形元件将从激光光源部射出的激光的光束形状整形为空间光调制元件的形状。空间光调制元件调制整形后的激光并生成影像光。影像光通过投射透镜射出。这样，激光投影仪能够对收看者提供影像。

光束整形元件将激光的光束形状整形为空间光调制元件的形状。在激光光源部与光束整形元件之间设置的瞳均匀化元件使投射透镜的出射瞳的光强度分布均匀化，因而不会射出过高强度的光。因此，激光投影仪能够安全地显示散斑杂讯被减少的影像。

在上述结构中，较为理想的是，所述光束整形元件与所述出射瞳存在共轭关系，所述瞳均匀化元件使射入所述光束整形元件的光强度分布均匀化。

根据上述结构，瞳均匀化元件使射入与投射透镜的出射瞳存在共轭关系的光束整形元件的光强度分布均匀化，因而不会射出过高强度的光。因此，激光投影仪能够安全地显示散斑杂讯被减少的影像。

在上述结构中，较为理想的是，所述瞳均匀化元件具有为使所述光强度分布均匀化而铺设的多个第一要素透镜，所述光束整形元件具有为将所述光束形状整形为所述空间光调制元件的形状而铺设的多个第二要素透镜，所述第一要素透镜根据该第一要素透镜的扩展角相应地扩展所述激光，使所述光强度分布均匀化，所述第二要素透镜根据该第二要素透镜的扩展角相应地扩展所述激光，整形所述光束形状。

根据上述结构，为使光强度分布均匀化而铺设的多个第一要素透镜根据第一要素透镜的扩展角相应地扩展激光，使光强度分布均匀化，为将光束形状整形为空间光调制元件的形状而铺设的多个第二要素透镜根据第二要素透镜的扩展角相应地扩展激光，整形光束形状。因此，激光投影仪能够安全地显示散斑杂讯被减少的影像。

在上述结构中，较为理想的是，所述第一要素透镜以及所述第二要素透镜分别具有凹面透镜。

根据上述结构，第一要素透镜以及第二要素透镜分别具有凹面透镜，因而能够适当地扩展激光。因此，激光投影仪能够安全地显示散斑杂讯被减少的影像。

在上述结构中，较为理想的是，所述第一要素透镜以及所述第二要素透镜分别具有为扩展所述激光而形成的曲面，该曲面具有随着接近该曲面的缘部而减小的曲率分布。

根据上述结构，第一要素透镜以及第二要素透镜分别具有为扩展激光而形成的曲面。曲面的曲率分布随着接近曲面的缘部而减小，因而容易得到均匀化的光强度分布。

较为理想的是，上述结构的激光投影仪还包括使所述激光扩散并射入所述空间光调制元件的光扩散元件，其中，从所述光束整形元件射出的所述激光按照所述曲率分布扩展并重叠，射入所述光扩散元件。

根据上述结构，从光束整形元件射出的激光按照曲率分布扩展并重叠，射入光扩散元件。光扩散元件使激光扩散并射入空间光调制元件。因此，激光投影仪能够安全地显示散斑杂讯被减少的影像。

较为理想的是，上述结构的激光投影仪还包括聚光透镜和场透镜，其中，所述空间光调制元件为反射型空间光调制元件，从所述光束整形元件射出的所述激光通过所述聚光透镜以及所述场透镜，照明所述反射型空间光调制元件，随后，被该反射型空间光调制元件反射，经由所述场透镜到达所述投射透镜。

根据上述结构，从光束整形元件射出的激光通过聚光透镜以及场透镜，对反射型空间光调制元件进行照明。随后，被反射型空间光调制元件反射的激光经由场透镜到达投射透镜。因此，激光投影仪能够安全地显示散斑杂讯被减少的影像。

在上述结构中，较为理想的是，所述第二要素透镜的最大数值孔径为0.3以上。

根据上述结构，第二要素透镜的最大数值孔径为0.3以上，因而可提供小型的激光投影仪。

较为理想的是，上述结构的激光投影仪还包括：使所述光束整形元件相对于所述激光光源部与所述空间光调制元件之间的光轴垂直移动的移动机构，其中，在所述激光经由所述光扩散元件射入所述空间光调制元件时，所述移动机构让所述光束整形元件以小于所述第二要素透镜的最小剖面尺寸的振幅移动。

根据上述结构，移动机构使光束整形元件相对于激光光源部与空间光调制元件之间的光轴垂直地移动。在激光经由光扩散元件射入空间光调制元件时，移动机构光束整形元件以小于第二要素透镜的最小剖面尺寸的振幅移动，因而激光投影仪能够以低功耗安全地显示散斑杂讯少的影像。

在上述结构中，较为理想的是，所述激光光源部包括射出红色激光的红色激光光源、射出绿色激光的绿色激光光源以及射出蓝色激光的蓝色激光光源，射入所述光束整形元件的所述红色激光的剖面积小于射入所述光束整形元件的所述绿色激光的剖面积以及射入所述光束整形元件的所述蓝色激光的剖面积。

根据上述结构，激光光源包括射出红色激光的红色激光光源、射出绿色激光的绿色激光光源以及射出蓝色激光的蓝色激光光源。因此，激光投影仪能够利用各种色调显示影像。

射入光束整形元件的红色激光的剖面积小于射入光束整形元件的绿色激光的剖面积以及射入所述光束整形元件的蓝色激光的剖面积。因此，激光投影仪不仅能够安全地显示散斑杂讯被减少的影像，还能实现较高的光利用效率。

在上述结构中，较为理想的是，在将所述投射透镜的F值用F#表示、射入所述光束整形元件的所述激光在长边方向的束径用D表示、射入所述光束整形元件的所述激光在到达所述空间光调制元件之前所通过的透镜群的焦距用f表示时，满足由F#＜f/D＜2×F#表示的关系。

根据上述结构，由于满足由F#＜f/D＜2×F#表示的关系，因而激光投影仪不仅能够安全地显示散斑杂讯被减少的影像，还能实现较高的光利用效率。

在上述结构中，较为理想的是，所述瞳均匀化元件包括具有凸部的面。

根据上述结构，由于瞳均匀化元件包括具有凸部的面，因而容易进行瞳均匀化元件的加压成型。

产业上的可利用性

上述实施方式的原理适合用于兼顾高亮度与小型化的投影仪。尤其是，上述原理适合用于内置具有可移动性的设备的移动式投影仪。

Claims (12)

1.一种激光投影仪，其特征在于包括：

激光光源部，射出激光；

空间光调制元件，调制所述激光、生成影像光；

投射透镜，用于射出所述影像光；

光束整形元件，将所述激光的光束形状整形为所述空间光调制元件的形状；以及

瞳均匀化元件，使所述投射透镜的出射瞳的光强度分布均匀化，其中，

所述瞳均匀化元件，被设置在所述激光光源部与所述光束整形元件之间。

2.根据权利要求1所述的激光投影仪，其特征在于：

所述光束整形元件与所述出射瞳之间存在共轭关系，

所述瞳均匀化元件使射入所述光束整形元件的光强度分布均匀化。

3.根据权利要求1所述的激光投影仪，其特征在于：

所述瞳均匀化元件，具有为使所述光强度分布均匀化而铺设的多个第一要素透镜，

所述光束整形元件，具有为将所述光束形状整形为所述空间光调制元件的形状而铺设的多个第二要素透镜，

所述第一要素透镜根据该第一要素透镜的扩展角相应地扩展所述激光，使所述光强度分布均匀化，

所述第二要素透镜根据该第二要素透镜的扩展角相应地扩展所述激光，整形所述光束形状。

4.根据权利要求3所述的激光投影仪，其特征在于：所述第一要素透镜以及所述第二要素透镜分别具有凹面透镜。

5.根据权利要求3所述的激光投影仪，其特征在于：

所述第一要素透镜以及所述第二要素透镜分别具有为扩展所述激光而形成的曲面，

所述曲面具有随着接近该曲面的缘部而减小的曲率分布。

6.根据权利要求5所述的激光投影仪，其特征在于还包括：使所述激光扩散并射入所述空间光调制元件的光扩散元件，其中，

从所述光束整形元件射出的所述激光，按照所述曲率分布扩展并重叠，射入所述光扩散元件。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的激光投影仪，其特征在于还包括：聚光透镜和场透镜，其中，

所述空间光调制元件为反射型空间光调制元件，

从所述光束整形元件射出的所述激光，通过所述聚光透镜以及所述场透镜照明所述反射型空间光调制元件，随后，被该反射型空间光调制元件反射，经由所述场透镜到达所述投射透镜。

8.根据权利要求3至6中任一项所述的激光投影仪，其特征在于：所述第二要素透镜的最大数值孔径为0.3以上。

9.根据权利要求6所述的激光投影仪，其特征在于还包括：使所述光束整形元件相对于所述激光光源部与所述空间光调制元件之间的光轴垂直地移动的移动机构，其中，

所述移动机构，在所述激光经由所述光扩散元件射入所述空间光调制元件时，让所述光束整形元件以小于所述第二要素透镜的最小剖面尺寸的振幅移动。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的激光投影仪，其特征在于：

所述激光光源部包括射出红色激光的红色激光光源、射出绿色激光的绿色激光光源以及射出蓝色激光的蓝色激光光源，

射入所述光束整形元件的所述红色激光的剖面积，小于射入所述光束整形元件的所述绿色激光的剖面积以及射入所述光束整形元件的所述蓝色激光的剖面积。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的激光投影仪，其特征在于：

在将所述投射透镜的F值用F#表示、射入所述光束整形元件的所述激光在长边方向的束径用D表示、射入所述光束整形元件的所述激光在到达所述空间光调制元件之前所通过的透镜群的焦距用f表示时，满足由下式表示的关系

F#＜f/D＜2×F#。

12.根据权利要求3至11中任一项所述的激光投影仪，其特征在于：所述瞳均匀化元件包括具有凸部的面。

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